Николай Симонов - Несостоявшаяся информационная революция. Условия и тенденции развития в СССР электронной промышленности и средств массовой коммуникации. Часть I. 1940–1960 годы
Для производства РЛС потребовались электровакуумные приборы, параметры которых (механические, электрические, радиотехнические) предъявляют очень высокие требования к точности, чистоте поверхности, прочности и герметичности соединений. Например, технологический цикл изготовления магнетрона (генератора радиоволн) состоит из 450-ти технологических операций («шагов»), и почти все они необратимы, то есть в случае даже незначительного отклонения от технического задания при исполнении одной-единственной операции бракованным становится все изделие.
Радиолокация продвинула в жизнь целое направление прикладной науки и производства – импульсную СВЧ-технику, которая является критической базовой технологией и показателем принадлежности страны к высокому уровню технического развития. Она же послужила стимулом для быстрого развития электроники мощных источников высокочастотной энергии.
В 1940 г. британские физики Джон Рэндалл (John Randall) и Гарри Бут (Harry Boot) изобрели для целей радиолокации резонансный магнетрон, работавший на частоте 3000 МГц. Позднее с участием специалистов Радиационной лаборатории Массачусетского технологического университета и других американских исследовательских центров удалось сконструировать магнетроны, работающие на всех частотах до 30 000 МГц. Лидерство союзников по антигитлеровской коалиции в области магнетронов и создания радиолокаторов сантиметрового диапазона было весьма примечательным. Немцы так никогда и не смогли приблизиться к ним; их радары были ограничены частотами в несколько сотен герц. Японский военно-морской флот обзавелся радиолокационными станциями (в метровом диапазоне) только в конце войны, впервые применив их в октябре 1944 г. в сражении у острова Лейте (центральная часть Филиппинского архипелага).
Создание радиовзрывателей для зенитных снарядов и первых зенитных ракет положило начало микроминиатюризации радиоустройств. По сути радиовзрыватель, это – миниатюрный радиолокатор, работающий в метровом диапазоне волн, совмещающий в себе функции передатчика, приемника и усилителя допплеровских частот. Все это дополнялось устройством взведения, предохранения и источником электропитания.
Радиовзрыватели (впервые применены в 1943 году в английской системе ПВО) содержали миниатюрный приемопередатчик, который излучал направленный пучок высокочастотного излучения на цель и детонировал при получении отражения от цели. Главная техническая проблема заключалась в создании приемопередатчика, способного выдерживать ударные нагрузки при выстреле из зенитного орудия. Американские разработчики имели возможность обратиться к опыту создания слуховых аппаратов, которые уже выпускались промышленностью с использованием субминиатюрных радиоламп, усовершенствовать его, и, в конце концов, такая радиолампа с номинальной ударопрочностью 20000 g стала основной частью прибора. Применение таких радиовзрывателей, в частности, помогло отразить нападение японских камикадзе на американский флот близ Окинавы в 1945 г.
В США разработка и промышленное внедрение СВЧ-технологий в основном завершается к 1945 г., причем, совокупные финансовые затраты на создание национальной радиолокационной системы береговой и противовоздушной обороны оцениваются в сумму $2,5 млрд. – на $500 млн. больше официальной стоимости Уранового («Манхэттенского») проекта. За годы II мировой войны чистая ежемесячная стоимость выполненных заказов на аппаратуру военной радиосвязи и радиолокации увеличилась в 12 раз и составила к 1945 г. $4,5 млрд. Число занятых в электронной промышленности США увеличилось со 110 тыс. чел. до 500 тыс. чел.
После окончания II мировой войны американская электронная промышленность занялась всеобщей телефикацией страны. Если в 1947 г. в США было около 180 тыс. телевизоров, то к 1953-му их число возросло до 28 млн. В 1953 г. в США началось регулярное цветное телевещание по системе NTSC. Львиную долю кинескопов для цветного телевидения производила корпорация RCA. Секрет фирменного кинескопа – трехлучевая вакуумная трубка с теневой маской (англ. shadow mask), из сплава железа и никеля с 370 000 микроскопических отверстий.
В СССР создание научной, опытно-конструкторской и производственной базы для радиолокационного вооружения начинается в довоенный период и завершается в середине 1950-х годов. Количество произведенных черно-белых телевизоров превысило в СССР один миллион только в 1957 г., а регулярное цветное телевещание началось 1 октября 1967 г.
Важными событиями 1946-1947 гг. было изобретение операционного усилителя постоянного тока на вакуумной лампе (Джордж Филбрик) и электронно-лучевой трубки для хранения данных (Фредерик Уильямс). По мнению специалистов, данные устройства проложили путь в эру электронно-вычислительной техники.
Первый полнофункциональный цифровой компьютер заработал весной 1945 г. в Школе электрической техники Moore (при университете в Пенсильвании). Это – знаменитый ENIAC, разработанный Джоном Мочли (John Mauchly) и Дж. Преспером Эккертом (J. Presper Eckert) по заказу атомной лаборатории в Лос-Аламосе. В качестве запоминающего устройства в нем применялись ультразвуковые ртутные линии задержки, заимствованные у разработчиков радиолокационной аппаратуры.
В 1951 г. профессор Массачусетского технологического института Джей Форрестер (Jay Forrester) разработал и запатентовал RAM-память на магнитных сердечниках (англ. ferrite memory) – маленьких (около 1 мм в диаметре) магнитных колец, которые поляризовались в двух направлениях, представляя, таким образом, бит данных.
В первых компьютерах использовались тысячи электровакуумных приборов, которые размещались в металлических шкафах и занимали много места. Чтобы подвести фидеры и кабели ко всем элементам аппаратуры, приходилось делать сложную электрическую разводку. Мощные вентиляторы предохраняли аппаратуру от перегрева. Весили первые ЭВМ соответственно – тонны, и стоили немалых средств, порядка $1 млн. Приняв средний срок службы радиолампы-триода за 500 часов, при количестве ламп в одном устройстве 5000 шт., в среднем каждые 10 минут следовало ожидать отказ, по крайней мере, одной радиолампы.
* * *Вакуумной радиолампе требовалась более компактная, экономичная и надежная замена. И она в 1948 г., наконец, нашлась в виде транзистора (от англ. transfer resistor – трансформатор сопротивлений) – полупроводникового электронного прибора, управляющего током в электрической цепи за счёт изменения входного напряжения.
Транзистор – материальная основа и элементная база второй «электронной революции».
В конструкции радиоприемника транзистор способен выполнять ту же функцию, что и радиолампа-триод (или пентод). В других электронных устройствах, например ЭВМ, несколько транзисторов, соединенных по определенной схеме, выполняют функцию переключательных (логические вентили) и запоминающих (триггеры) устройств.
Транзисторы, изготовленные из прозрачного полупроводникового материала, это – светодиоды, способные заменить лампы накаливания. Светодиоды механически прочны и исключительно надежны, срок их службы может достигать 100 тыс. часов, что почти в 100 раз больше, чем у обычной электрической лампочки.
Транзистор, имеющий два устойчивых состояния: низкой проводимости и высокой проводимости, – это – тиристор – преобразователь переменного тока, способный заменить ртутные выпрямители (игнитроны).
Экспериментально во всех полупроводниках (и интерметаллических соединениях), при условии внедрения в них некоторых примесей, например, мышьяка или сурьмы, обнаруживается присутствие двух электрических токов. Первый обусловлен вытолкнутыми из атомов свободными электронами и называется электронным (n-тип, от англ. negative – отрицательный). Второй объясняется движением электронов, связанных с атомами. Он называется дырочным (p-тип, от англ. positive – положительный). На границе раздела областей с различными типами электропроводимости образуется запирающий слой (англ. barrier layer). Благодаря этому слою, для одних токов транзистор ведет себя как проводник, а для других – как изолятор. Простейший биполярный транзистор имеет в своей структуре два взаимодействующих p-n-перехода и три внешних вывода: эмиттер, базу и коллектор. Эмиттеру, базе и коллектору соответствуют катод, сетка и анод трехэлектродной радиолампы – триода.
Соединение разнородных по химическому составу или фазовому состоянию транзисторов позволяет создавать сложные гетероструктурные p-n переходы, посредством которых, например, функционируют полупроводниковые лазеры в современных проигрывателях компакт-дисков.
Изобретателями транзистора считаются сотрудники Bell Labs Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Бреттейн, в 1956 г. удостоенные Нобелевской премии по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».
